電子束輻照對GaN基LED發(fā)光性能影響

1 引言

發(fā)光二極管(Light emitting diodes，LED) 是一種重要的固態(tài)光源，具有低成本、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。其中，GaN 基材料的禁帶寬度為 0. 7-6. 2eV，其發(fā)光波長(cháng)覆蓋范圍可以從 650 nm 到 200nm，能夠實(shí)現從紅外光、紅光、綠光、藍光到紫外光等的全光譜發(fā)光，具有廣闊的應用前景和巨大的市場(chǎng)潛力。

在 LED 內部產(chǎn)生的晶格空位、間隙原子和反位缺陷等內在點(diǎn)缺陷[1]，對材料和器件的電學(xué)性能和光學(xué)性能等都有很大的影響。電子束輻照是一種研究材料中點(diǎn)缺陷的重要手段[2]。GaN 具有較強的抗輻照特性，因此通過(guò)工藝的改進(jìn)和優(yōu)化進(jìn)一步提高 GaN 基發(fā)光器件的抗輻照特性成為一項重要的研究?jì)热?。國內外已?jīng)有關(guān)于電子束輻照 GaN 材料 LED 的相關(guān)實(shí)驗報道[3-5]。1999年，Z. Q. Fang 等發(fā)現 1 MeV 電子輻照能夠在GaN 材料中誘生深能級(Ec≈0. 18 eV)。2002年，Gelhausen 等[6]也利用低能電子輻照研究摻Mg 的 GaN 基 LED 的缺陷問(wèn)題，提高了器件的發(fā)光效率，并對其機理進(jìn)行了研究。2003 年，Shar-

shar 等[7]在對 LED 的電子輻照和 Gamma 輻照效應的研究中指出，低劑量的電子輻照使 LED 歸一化后的亮度由 16%提高到 54%，到高劑量時(shí)開(kāi)始退化。

本文應用不同能量的電子束對 GaN 材料LED 進(jìn)行輻照，利用 PL 譜研究了 LED 的發(fā)光性能。將輻照能量與 GaN 材料 LED 光學(xué)性能的變化相結合，通過(guò)發(fā)光特性研究了不同能量的電子束輻照機理。

2 實(shí)驗

實(shí)驗中選用的 GaN 材料結構如圖 1 所示。實(shí)驗樣品分為 GaN 基 LED 外延片 1#和 2#，兩種外延片結構相同，生長(cháng)參數不同。

輻照實(shí)驗采用 Dynamitron(地納米)系列加速器，在標準大氣壓、普通空氣氛圍和常溫的輻照氛圍下進(jìn)行不同能量和劑量的電子束輻照實(shí)驗。對1#外延片進(jìn)行 1. 5 MeV 的電子束輻照，其輻射劑量為 10 kGy 和 100 kGy;對 2#外延片分別進(jìn)行 3MeV 和4. 5 MeV 的輻照，并對輻照后的 LED 外延片進(jìn)行室溫 PL 譜測試。

圖1 GaN 基 LED 材料結構示意圖

3 結果與討論

3.1 1.5 MeV 電子束輻照LED的PL譜測試

對 GaN 基 LED 外延片 1#進(jìn)行 1. 5 MeV 的電子束輻照，輻照劑量分別為10 kGy 和100 kGy，并進(jìn)行 PL 譜測試，獲得 GaN 基 LED 的發(fā)光性能。

圖2 1.5 MeV 電子束輻照后的GaN 基LED 的PL譜

圖2 中曲線(xiàn)(a)是未經(jīng)輻照的1# GaN 外延片的 PL 譜，曲線(xiàn)(b)、(c)分別是經(jīng)過(guò) 10 kGy 和100 kGy 電子束輻照后的 PL 譜。由圖中可以看出，1#片主波長(cháng)約為 460 nm，在 425 nm 處存在一個(gè)小發(fā)光峰。425 nm 處的小發(fā)光峰是由導帶下的深能級缺陷組到禁帶中的能級躍遷產(chǎn)生的，主發(fā)光峰是由 InGaN/GaN 的帶隙躍遷(430 nm 左右)和量子阱斯托克效應產(chǎn)生的紅移共同引起的。

當電子轟擊半導體材料時(shí)，由于輻照電子與物質(zhì)晶格的相互作用，形成了空穴間隙原子對，破壞了晶格的位置。這些空位將進(jìn)一步與雜質(zhì)或其他空位作用而形成更復雜的缺陷，進(jìn)而在禁帶中形成新的電子能級。電子、空穴俘獲截面和能級密度的大小均對非平衡載流子的復合有貢獻，從而引起少子壽命和載流子濃度的降低。少子壽命τ 與輻照劑量的關(guān)系可表示如下:

其中，τ0為輻照前少子壽命，k 為輻照損傷系數，n為輻照劑量。在較低劑量下，隨著(zhù)輻照劑量的增加，少子壽命縮短，擴散長(cháng)度減小，將會(huì )在 pn 結的附近產(chǎn)生一個(gè)窄的本征區。該本征區的產(chǎn)生將引起正向電流的顯著(zhù)提高，同時(shí)引起發(fā)光強度的提高。在較高劑量下，缺陷俘獲的電子濃度 nt(t)可表示如下:

其中 Nt0為缺陷的本征濃度，T 為系統溫度，αrate為升溫速率常數，τann為載流子湮滅時(shí)間，τe為載流子產(chǎn)生時(shí)間。由式(2)可以看出，隨著(zhù)少子壽命的縮短，缺陷俘獲的少子濃度也有所降低，復合幾率下降，引起發(fā)光強度降低。

從圖 2 中還可以看出輻照對主波長(cháng)的影響。經(jīng) 10 kGy 和 100 kGy 電子束輻照后，外延片的發(fā)光峰位置變化很小，在小劑量下出現紅移，大劑量下出現藍移。在小劑量下出現紅移是由于當低劑量電子束輻照 LED 時(shí)，在材料內部產(chǎn)生的深能級缺陷主要用來(lái)補償化學(xué)摻雜的不足，使費米能級位置遠離導帶底，從而導致材料的禁帶寬度降低;當加大劑量時(shí)出現藍移，可以認為是由于輻照在材料內產(chǎn)生的大量缺陷使得 GaN 材料內原子間的相互作用力發(fā)生變化，從而導致材料的禁帶寬度增加。LED 發(fā)光峰的強度也發(fā)生了變化。在10 kGy 劑量輻照下，LED 的發(fā)光強度增加約25%;而在 100 kGy 劑量輻照下，LED 的發(fā)光強度降低約 16%。